[发明专利]差分涡流传感器

说明书

本发明通常涉及测量技术，尤其是涉及一种差分涡流传感器。

本发明可以在机械工程中应用于电流传导和/或磁铁材料和产品的非破坏性测试，用于测量至表面的距离，薄片和涂层的厚度，产品的尺寸以及用于控制整个生产过程中的探伤检验，以及在工程技术中的其它领域。

目前，设计的大量的差分涡流传感器广泛地应用于各种仪器仪表和测量系统中。已知的大多数差分涡流传感器的特征是在测量结果中存在误差，即所谓的外部因素造成的附加误差。已知的差分涡流传感器设计上的许多改进的目的是通过最大程度地减小附加误差来提高测量的精度；但是，目前，这个问题还远远没有完全解决。

已知的现有技术是一种用于测量机械的(非电的)参数(参见DE#3,817,371)的差分涡流传感器，其包括两个线圈和一个在所述的线圈内部可活动的并连接到所控制的目标物上的磁铁芯。线圈的电感值是根据磁铁芯采取的位置而变化，所述的线圈的共同引出线被连接到LC振荡器的输入端之一，而其两个其它的引出线被通过一个模拟多路转接器交替地连接到LC-振荡器的第二个输入端，自激振荡器的振荡频率取决于LC-电路的感应系数值，即取决于在给定某时刻被连接到其输入端的线圈。LC-振荡器的输出信号的频率在连接了两个线圈的每一个后被测定，因此，微型计算机根据频率间的差值计算传感器测量的参数值。

前述的涡流传感器的特征在于低操作速度，必须使用多位计数器(由于它的误差相对较低)，严格的分辨率，以及相当高的复杂性，因此，硬件运行的成本高。

已知的现有技术是一种用于电传导和/或铁磁材料和产品的非破坏性测试的涡流测量系统(参见US专利#5,541,510A)，包括一个给阻抗网络供电的发生器，一个幅度检测器，一相位检测器，一个解调器，一个计算单元和一个涡流传感器，此涡流传感器具有一个探测线圈并与一个平行连接的电容一起构成一个谐振电路。所述的测量系统可以测量与所测试的目标有关的两个参数。但是，在此情况下，实际影响涡流传感器的参数多于两个。

例如，当测量至所测试的目标物的距离和其线性尺寸(厚度)，三个其它的参数中的至少两个的可能的变化即：电导系数、导磁率和温度，以及目标物可能涉及的其余参数(包括其线形尺寸)是未被补偿的。

在此系统的一个实施例中部分地消除了所述的因素对测量结果的影响，该系统包括差分连接的涡流传感器。但是，此系统的变化涉及对所使用的涡流传感器的较严格的需求，即，对于相同的尺寸和电参数，由于在特征上的技术扩展，其难以实现。

因此，两个涡流传感器必须被非常精确地设置以便对于所测试的目标物它们位于相同的位置和/或在相同的环境条件。

涡流传感器的非同一性和它们的排列导致对于不可控制的因素的变化的不完全补偿，因此，导致测量结果的误差。

此外，由涡流传感器产生的信号处理必须使用昂贵的放大器设备。前述的系统的独特特征增加了其复杂性和成本。

电连接的涡流和感应传感器在电桥电路中有广泛的应用，其中一个对角电桥由正弦电压的电源供电，另一对角电桥被连接到差分放大器的输入端，其后，一交流电压受到相位灵敏性检测和滤波。

此电路设计的特征在于复杂平衡，一不平衡电桥的非线性，时间和温度的不稳定性，涉及如昂贵的同轴电缆的使用的电磁干扰保护的影响。

与在此所介绍的涡流传感器最接近的是在Kaman Instrumentation(USA)的题为“测量方法手册”，1999，p.6(以及pp.4和5)中所描述的，其中传感器也是基于一个电桥电路。

所述的已知涡流传感器包括一个主检测器，其包括两个相同的探测线圈和一个包括两个电容和两个电阻元件的电子单元。每个探测线圈并联有一个电容元件，所述的线圈与电容元件一起形成一个平行的谐振电路。此两个电路被分隔成电桥的邻接臂，电桥的其它两个臂实际上是电阻元件。线圈的节点接地，一振荡电压被施加到阻抗元件的节点上。电路产生的输出信号从电阻和线圈的节点输出。

只有在平衡电桥的情况下补偿温度稳定性才是可能的，即测试目标物的位置固定，目标物的电磁参数的值可变(即，导电率和导磁率)。

探测线圈的参数的不完全识别和传感器电路元件的参数的扩展存在阻碍了对谐振电路的电容元件和平衡电桥臂的阻抗元件的选择。因此，由于电桥臂是由不同的元件组成的事实，完全的平衡在实践中是不可能的。即使当电桥是幅度平衡的，也会发生相位漂移，在相位灵敏性解调的情况下导致“零漂移”误差，分辨率受影响以及输出信号的温度不稳定性。